Диссертация (Щёточные уплотнения в роторных системах авиационных двигателей), страница 10

Теоретические методы исследования уплотненийизведена путём суммирования единичных сил, умноженных на эмпирический коэффициент, учитывающий трение между волокнами.Филимонова [65] представила упрощённую механическую модельЩУ газотурбинного двигателя для определения необходимого перепададавления, при котором происходит закрытие радиального зазора междущёточным пакетом и поверхностью вала.В [152] представлена конечно-элементная модель нескольких волокон ЩУ, построенная в пакете Abaqus с учётом контактного взаимодействия с трением. Аэродинамическая нагрузка при этом задавалась с помощью модельной функции давления. Сравнение результатов расчётовс экспериментальными данными для контактной силы продемонстрировало согласование.

Дальнейший анализ разработанной методики дляструктурного расчёта сегмента ЩУ приведён в [151; 153].Модели для расчёта течения газа в щёточном уплотненииИспользование методов вычислительной гидродинамики являетсянеобходимым при моделировании течения уплотняемой среды в каналахщёточного уплотнения.

Включение в модель отдельных волокон пакета представляется трудоёмкой задачей с точки зрения вычислительныхресурсов. Это связано с большим числом волокон в пакете (плотностьупаковки лежит в пределах 50. . . 200 волокон на миллиметр в окружномнаправлении), а также с малым диаметром проволоки. Поэтому в моделях с учётом дискретной структуры пакета рассматривается, как правило, идеализированная геометрия малого сегмента щёточного пакетас небольшим количеством волокон. Однако даже такие ограниченныемодели позволяют получать ценные результаты.В [100; 231] решались уравнения Навье-Стокса на двумерной расчётной области с целью определения давления и картин течения вокругмассива неподвижных волокон круглого сечения.

Течение в пакете былопринято ламинарным. Расчётные данные сравнивались с результатамиэксперимента в гидродинамической трубе по визуализации течения видеализированном пакете. Модель идеализированного щёточного пакета использовалась для изучения эффекта поднятия волокон в [114].501.6. Теоретические методы исследования уплотненийВ [281] была предложена методология моделирования идеализированного щёточного уплотнения с помощью методов ВГД. Для анализа чувствительности параметров работоспособности (расход, температура, силовые факторы) на геометрические параметры уплотнения использовались методы планирования эксперимента. Оценка относительного влияния отдельных параметров и их взаимодействия была выполнена на основе численного определения соответствующих градиентов.Результаты показали, что диаметр микропроволоки оказывал наибольшее влияние на все рассмотренные параметры работоспособности.В [350] были представлены результаты моделирования тепловогосостояния ряда волокон щёточного уплотнения с учётом трения.

Былоприведено сравнение результатов расчётов по расходу, крутящему моменту и максимальной температуре с экспериментальными данными.Рассмотрение щёточного пакета в качестве пористой средыРаспространенным подходом для моделирования пакета щёточного уплотнения методами ВГД является представление набора волоконв качестве непрерывной пористой среды [95; 148]. Поведение пористойсреды описывается обобщённым законом Дарси, в котором учитываетсявязкостное и инерционное сопротивление. Различные модели пористойсреды, предложенные для моделирования щёточных пакетов, отличаются выражениями для определения коэффициентов сопротивления.Классическая модель Эргуна [160] была применена несколькими авторами для моделирования щёточных уплотнений. Наибольшее же распространение получила модель, предложенная в [115; 116], в которыхна основе экспериментальных данных из [95] для учета анизотропии вщёточном пакете были изменены вязкостный и инерционный коэффициенты сопротивления в направлении, параллельном волокнам.В [390] была предложена дополнительная модификация вязкостного коэффициента сопротивления.

Обсуждение различных выраженийдля расчёта коэффициентов сопротивления модели пористой среды вприложении к щёточным уплотнениями приведено в [105]. В работе рассматривался сегмент щёточного уплотнения. Также в [105] приведены511.6. Теоретические методы исследования уплотненийрезультаты теоретического исследования влияния щёточного пакета навеличину закрутки потока газа.Расчёт распределений температуры в щёточном пакете с использованием двумерной модели пористой среды и аналитического подходапредставлен в [149]. Тепловой поток, генерируемый при трении волокон о вал, определялся из коэффициента трения (0.25. . . 0.47 для сплаваHaynes 25), контактного давления (5.5. . .

827.4 кПа) и скорости вращения вала (12. . . 300 м/с).Основной проблемой при использовании моделей пористой средыявляется необходимость проведения калибровки, которая заключается в подгонке выбранных параметров модели с целью получения адекватных результатов с использованием либо известных экспериментальных данных, либо разработанных ранее рекомендаций. В зависимостиот компоновки щёточного уплотнения изменяемыми параметрами могут быть свободный зазор и толщина пакета в осевом направлении.

Калибровка может также осуществляться путём непосредственного изменения коэффициентов сопротивления. При эксцентричном положениивала функции толщины пакета и свободного радиального зазора могутзависеть от окружной координаты.Также при моделировании с использованием модели пористой среды щёточный пакет может быть разделён на несколько зон с различными коэффициентами сопротивления (например, на зону между защитным и упорным кольцами и на зону в свободном зазоре между кольцамии валом [148; 166]). В [148] коэффициенты сопротивления в верхней части щёточного пакеты были увеличены на 20% по сравнению с частьюпакета, открытого со стороны упорного кольца.Связанные расчёты механического и аэродинамическогосостояния щёточного уплотненияМеханические модели щёточных уплотнений могут комбинироваться как с детальными аэродинамическими моделями, в которых рассматриваются отдельные волокна, так и с аэродинамическими моделями, вкоторых щёточный пакет описывается как пористая среда.521.6.

Теоретические методы исследования уплотненийСвязанный расчёт щёточного уплотнения с использованием моделипористой среды был представлен в [81]. Вычисленные силы сопротивления в пористой среде экспортировались в механическую модель для расчёта деформаций волокон и контактных сил, возникающих при закрытии свободного зазора. Похожий подход использовался в [356] для исследования щёточных уплотнений с ненулевым номинальным зазором.Также в [356] выполнялись экспериментальные исследования, результаты которых использовались для калибровки модели пористой среды.

Результаты показали значительные отличия в поведении щёточныхуплотнений, установленных внахлёст и с положительным зазором.В [133] описывается трёхмерная механическая конечно-элементнаямодель сегмента щёточного пакета для исследования явления гистерезиса.

Граничные условия для механической модели импортировалисьиз двумерного расчёта течения через щёточный пакет с использованиеммодели пористой среды. В механической модели использовались следующие значения коэффициента трения: 0.2 для взаимодействия междуволокнами; 0.28 для контактных пар «волокна – ротор» и «волокна –опорное кольцо» (см., также, [132]).В [240] была разработана теоретическая модель идеализированногощёточного уплотнения на основе связанного расчёта. Поток газа черезпакет рассчитывался с помощью методов ВГД, полученное распределение давления на поверхности волокон экспортировалось в программудля структурного расчёта.

Затем генерировалась новая сетка для расчёта потока на основе нового распределения волокон в пространстве.Структурный расчёт выполнялся с использованием линейной балочнойтеории без учёта трения. Во избежание вырождения вычислительнойсетки при сближении отдельных волокон под действием нагрузки диаметр проволоки уменьшался на небольшую величину (2%), что приводило к гарантированному зазору между волокнами при расчёте потока газа. Из-за сложности процедуры расчёта модель включала в себялишь небольшое число волокон.

Результаты продемонстрировали возможность несимметричной упаковки пакета вследствие аэродинамической нагрузки.531.7. Структура исследования1.7. Структура исследованияИсходя из цели диссертационной работы и сформулированных задач, а также предварительного анализа объекта исследования и проведённого обзора тематических работ, была разработана программа исследования, определившая структуру диссертации.Во введении сведена информация по общей характеристике диссертационного исследования.Основная часть диссертации разделена на семь глав. Первая глава является обзорной главой и служит введением в тему исследования.Во второй главе приводится классификация уплотнительных узлов, применяемых в турбомашиностроении, описаны принципы работы,отмечены преимущества и недостатки отдельных типов. Подробно рассмотрены щёточные уплотнения, проведён анализ основных эффектов,возникающих в процессе эксплуатации.

Обобщён опыт использованиящёточных уплотнений в авиационных двигателях. В конце главы представлены конструкции уплотнительных узлов, исследованных в рамкахданной работы.В третьей главе рассматриваются подходы к расчёту уплотнительных узлов. Приведена общая аэродинамическая модель бесконтактного уплотнения на основе полной системы уравнений Навье-Стокса. Вбазовой модели щёточного уплотнения пакет рассматривается как пористая среда. Также описывается аэродинамическая модель с учётомдискретной структуры щёточного пакета. Рассматриваются подходы кструктурному расчёту податливых элементов.Четвертая глава посвящена анализу динамической системы «ротор – уплотнения».

В главе описываются задачи динамики роторныхмашин. В качестве базовой модели системы используется конечно-элементная формулировка на основе балочного элемента Тимошенко с 10степенями свободы. Представлен анализ динамики роторной системытурбовинтового двигателя. Рассмотрено влияние уплотнений на динамику роторной системы, а также методы определения их динамическиххарактеристик.Пятая глава состоит из двух частей.